KR20230175125A - 직류 전력케이블 시스템 - Google Patents

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KR20230175125A
KR20230175125A KR1020230079092A KR20230079092A KR20230175125A KR 20230175125 A KR20230175125 A KR 20230175125A KR 1020230079092 A KR1020230079092 A KR 1020230079092A KR 20230079092 A KR20230079092 A KR 20230079092A KR 20230175125 A KR20230175125 A KR 20230175125A
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윤호중
이인회
이태호
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

본 발명은 초고압 직류 전력케이블 시스템의 슬리브부재 내부에서 공간전하(space charge)가 과도하게 축적되는 부분의 전계를 완화시켜 국부적인 전계 집중에 의한 전계 왜곡과 케이블 접속함 절연파괴를 방지 또는 최소화할 수 있는 직류 전력케이블 시스템에 관한 것이다.

Description

직류 전력케이블 시스템{DC Power Cable System}
본 발명은 직류 전력케이블 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 초고압 직류 전력케이블 시스템의 슬리브부재 내부에서 공간전하(space charge)가 과도하게 축적되는 부분의 전계를 완화시켜 국부적인 전계 집중에 의한 전계 왜곡과 케이블 접속함 절연파괴를 방지 또는 최소화할 수 있는 직류 전력케이블 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 대용량과 장거리 송전이 요망되는 대형 전력계통에서는 전력손실의 감소, 건설용지 문제, 송전용량 증대 등의 관점에서 송전전압을 높이는 고압송전이 필수적이다.
송전방식은 크게 교류송전과 직류송전으로 구분될 수 있으며, 이 중 직류송전은 직류 방식으로 전력을 전송하는 것을 말한다. 구체적으로, 상기 직류송전은 먼저 송전 측의 교류전력을 적당한 전압으로 바꾸고 순변환장치에 의해 직류로 변환한 뒤 송전선로를 통해 수전 측으로 보내면, 수전 측에서는 역변환장치에 의해 직류전력을 다시 교류전력으로 변환하는 방식이다.
특히, 상기 직류송전은 대용량의 전력을 장거리 수송하는데 유리하고 비동기 전력계통의 상호 연계가 가능하다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 장거리 송전에 있어서 직류가 교류보다 전력 손실이 적고 안정도가 높다는 장점이 있다.
상기 직류 전력 송전에 사용되는 초고압 직류 전력케이블(High Voltage Direct Current Cable; HVDC Cable)은 수십 내지 수백 미터 단위로 케이블 접속함에 의해 서로 접속되어 포설된다.
도 10은 종래 기술에 따른 직류 전력케이블 시스템의 하나의 예를 도시한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 일반적인 직류 전력케이블 시스템은 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체접속부 상에 배치되는 제1 전극(310'), 서로 대향하게 배치되는 한 쌍의 제2 전극(320'), 상기 제1 전극(310’)과 상기 한 쌍의 제2 전극(320’)과 연결되고, 전용 고무 절연재로 구성되는 전계 완화층(330'), 상기 전계 완화층(330')을 감싸도록 구비되는 고무 절연층(340') 및 상기 고무 절연층 외측에 배치되는 슬리브 차폐층(350')을 구비하는 슬리브부재(300')를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전계 완화층(330')은 특정 전계에 따라 비선형 전기적 거동을 유도하는 필러 재료를 함유하는 열경화성 고무 수지로 구성되며, 상기 전계 완화층(330)은 정상 동작 조건에서는 저항이 충분히 높아 절연층으로 동작하며, 공간전하가 축적되어 과도한 전계가 형성될 경우 전계 완화층(330')의 저항이 비선형적으로 낮아짐에 따라 전하가 전계 완화층(330')을 따라 제2 전극(320')과 외부반도전층(16')으로 빠져 나감으로 인해 공간전하의 축적을 해소하여 전계 집중으로 인한 절연파괴를 방지하는 역할을 수행한다.
그러나, 도 10에 도시된 종래의 직류 전력케이블 시스템의 슬리브부재(300')에서 상기 제1 전극(310')의 모서리 단부 영역(A1) 또는 상기 제2 전극(320')과 상기 전계 완화층(330')이 접촉되는 영역(A2)에서 특히 공간전하(space charge)가 과도하게 축적되고, 상기 공간전하는 전력케이블의 절연층(14') 또는 슬리브부재(300')의 고무 절연층(340') 내부의 전기장을 왜곡시켜 전계 집중이 발생되어 절연 파괴를 일으킬 수 있다.
만일 도 10에 도시된 전력 케이블 시스템에서 상기 전계 완화층이 없다면 전력케이블의 절연층(16')과 고무절연층(340')의 이종 계면에서 전계 집중이 심화되고, 전력케이블의 절연층(16')과 슬리브부재의 고무절연층(340') 및 제2 전극(320')이 만나는 영역에서 삼중점이 형성되어 절연 파괴 가능성이 높아진다.
그리고 도 10에 도시된 바와 같이 상기 전계 완화층(330')이 구비되는 경우에는 전력케이블의 절연층(16')과 슬리브부재의 고무절연층(340') 사이의 이종 계면은 형성되지 않으나, 여전히 전력케이블의 절연층(16')과 슬리브부재의 전계 완화층(330') 사이의 이종 계면 또는 슬리브부재(300)의 전계 완화층(330')과 고무절연층(340') 사이의 이종 계면이 존재하고, 슬리브부재(300)의 전계 완화층(330'), 고무절연층(340') 및 제2 전극(320')이 만나는 영역에 삼중점이 형성되어 절연 파괴 가능성이 존재한다.
또한, 상기 전계 완화층(330')은 상기 슬리브부재(300')의 전계 집중을 완화시켜주는 기능을 수행하지만 상기 전계 완화층(330')의 제조 공정은 비교적 복잡하고, 상기 전계 완화층(330')에 함유된 필러의 가격이 고가이므로 상기 슬리브부재(300') 내부에 전계 완화층(330')의 크기를 확대하는 경우 제조 공정도 어려워지고 케이블 접속함 비용이 증가되는 문제가 있다.
따라서, 초고압 직류 전력케이블의 슬리브부재에서 공간전하가 과도하게 축적되는 부분의 전계 집중을 완화시켜 공간전하 축적에 의한 전계 왜곡과 직류 절연내력의 저하를 방지 또는 최소화함과 동시에 제조 비용을 감소시킬 수 있는 직류 전력케이블 시스템이 요구된다.
본 발명은 초고압 직류 전력케이블 시스템의 슬리브부재에서 공간전하(space charge)가 과도하게 축적되는 부분의 전계 집중을 완화시켜 공간전하 축적에 의한 전계 왜곡과 직류 절연내력의 저하를 방지 또는 최소화할 수 있는 직류 전력케이블 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 직류 전력케이블 시스템으로서, 도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층 및 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층을 포함하며, 상기 도체, 상기 절연층 및 상기 외부 반도전층이 순차적으로 노출된 케이블 접속영역이 서로 대향하게 배치되는 한 쌍의 직류 전력케이블; 및, 상기 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체를 접속하는 도체접속부; 상기 도체접속부와 상기 케이블 접속영역을 감싸도록 장착되는 슬리브부재; 및 상기 슬리브 부재를 수용하는 하우징;을 포함하여 상기 한 쌍의 직류 전력케이블을 접속하는 케이블 접속함;을 포함하고, 상기 슬리브부재는 상기 도체접속부를 감싸도록 배치되며 상기 도체접속부와 전기적으로 연결되는 제1 전극; 케이블 길이방향을 따라 상기 제1 전극 양측에 각각 구비되는 한 쌍의 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 절연층을 감싸고, 상기 제2 전극의 내측면 과 접촉하며, 적어도 일부는 상기 제2 전극과 상기 외부 반도전층이 비접촉 상태가 되도록 상기 외부 반도전층과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 상기 외부 반도전층과 접촉하는 전계 완화층; 상기 전계 완화층 및 상기 제2 전극을 감싸는 고무 절연층; 및 상기 고무 절연층을 감싸는 슬리브 차폐층;을 포함하고, 상기 제2 전극의 내측면에 상기 제2 전극, 상기 전계 완화층 및 상기 고무 절연층이 모두 만나는 3중점이 구비되고, 상기 절연층으로부터 상기 3중점까지의 최단 거리(L)는 상기 제1 전극의 높이(h)보다 큰 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 절연층으로부터 상기 제2 전극 상단까지의 최단 거리(H)와 상기 절연층으로부터 상기 3중점까지의 최단 거리(L)는 하기 수식을 만족할 수 있다.
[수식] 1/2 x H ≤ L ≤ H
그리고, 상기 슬리브 차폐층은 상기 제2 전극과 분리되도록 구비되고, 상기 슬리브 차폐층으로부터 상기 제2 전극까지의 연면 거리의 경로가 계단형이 되도록 상기 슬리브 차폐층의 양단 사이 거리는 상기 고무 절연층의 양단 사이 거리보다 짧게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 전계완화층은 상기 고무 절연층 보다 전기전도도가 높은 재료로 구성될 수 있다.
한편, 상기 도체접속부는 상기 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체를 접속하는 도체 슬리브 및 상기 도체 슬리브 외측에 장착되고 상기 도체 슬리브와 전기적으로 연결되는 코로나 쉴드를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전계 완화층은 중앙부에 배치된 상기 제1 전극의 외주면 전체 영역을 감싸도록 구비되되 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 전계 완화층의 외경이 변화되는 외경 변화구간을 구비할 수 있다.
구체적으로, 상기 전계 완화층은 상기 제1 전극을 감싸는 제1 전극 커버부; 상기 제1 전극 커버부보다 외경이 감소되며 상기 제1 전극 커버부 양측에 상기 제2 전극 방향으로 연장되는 한 쌍의 연결부; 상기 연결부와 연결되며 경사구간을 갖도록 상기 제2 전극 방향으로 외경이 증가되는 한 쌍의 경사부; 및 상기 경사부와 연결되어 상기 상기 제2 전극의 내측면 영역과 접촉하며, 적어도 일부는 상기 외부 반도전층과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 상기 외부 반도전층과 접촉하는 한 쌍의 제2 전극 커버부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전계 완화층의 경사부의 경사도는 5도 내지 45도 범위일 수 있다.
그리고, 상기 고무 절연층의 전기전도도는 10-12 내지 10-15 S/m(단위미터당 지멘스)이고, 상기 전계 완화층의 전기전도도는 상기 고무 절연층 전기전도도의 5배 내지 10000배 클 수 있다.
한편, 상기 전계 완화층은 열경화성 고무 및 비선형 전기적 거동을 유도하는 필러를 포함하는 절연 조성물로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 열경화성 고무는 액상 실리콘 고무(Liquid Silicone Rubber, LSR) 또는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPDM)일 수 있다.
또한, 상기 필러는 실리콘 카바이드(Silicon carbide)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 하우징은 내부에 방수재가 충진될 수 있다.
그리고, 상기 케이블 접속함은 전기적 연결수단으로 상기 슬리브 차폐층 양단과 한 쌍의 제2 전극 사이를 양측 모두 전기적으로 연결한 보통 접속함일 수 있다.
또한, 상기 케이블 접속함은 전기적 연결수단으로 상기 슬리브 차폐층의 일단과 하나의 제2 전극만 전기적으로 연결하고, 상기 슬리브 차폐층의 타단과 나머지 제2 전극은 절연 상태인 절연 접속함일 수 있다.
그리고, 상기 하우징은 금속 재질의 하우징일 수 있다.
본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 의하면, 슬리브부재를 구성하는 전계 완화층이 제2 전극과 전력케이블의 외부 반도전층 사이에 구비됨으로써 전계 완화층과 제2 전극과의 접촉면적이 증가되고 전계 완화층과 외부 반도전층이 직접 접촉되어 접촉면적이 증가되므로 전력 케이블의 외부 반도전층으로의 미세 전류 경로가 확대되어 공간 전하가 축적되지 않고 외부 반도전층으로 쉽게 방전되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 의하면, 슬리브부재의 전계 완화층이 제2 전극의 내측면과 접촉하는 구조가 적용되어 전력케이블의 절연층, 슬리브부재의 제 2 전극 및 전계완화층이 한 지점에서 만나는 영역이 생성되지 않으므로 슬리브부재 내부의 과도한 공간전하 축적 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
마찬가지로, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 의하면, 슬리브부재의 전계 완화층이 제2 전극의 내측면과 경사구간을 갖도록 외경이 증가되는 경사부를 형성하며 접촉하도록 구성되어 슬리브부재의 제2 전극, 고무절연층 및 전계 완화층이 한 지점에서 만나는 삼중점 영역이 전력케이블의 도체와 이격되도록 함으로써, 전계 집중을 완화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 의하면, 슬리브부재를 구성하는 전계 완화층이 제1 전극의 전체 영역 및 한 쌍의 제2 전극의 내측면 영역과 접촉되도록 구성됨으로써 상기 전계 완화층에 미세 전류 경로가 형성되어 상기 제1 전극에서 상기 한 쌍의 제2 전극 방향으로 전하가 이동됨으로써 상기 제1 전극의 모서리 단부 영역의 전계를 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 의하면, 슬리브부재를 구성하는 전계 완화층의 길이방향 구간별 두께 또는 외경을 서로 다르게 구성함으로써 상기 전계 완화층의 지나치게 커지는 문제로 인한 절연 내력 감소 현상을 방지함과 동시에 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 의하면, 슬리브부재를 구성하는 한 쌍의 제2 전극과 슬리브 차폐층이 접촉되지 않도록 분리하여 구성되고, 슬리브 차폐층으로부터 상기 제2 전극까지의 연면 거리의 경로가 계단형이 되도록 상기 슬리브 차폐층의 양단 사이 거리는 상기 고무 절연층의 양단 사이 거리보다 짧게 형성되어 상기 상기 슬리브 차폐층과 상기 제2 전극 사이의 연면 거리를 확보함으로써 직류 전력케이블 시스템의 부분방전 진단 또는 고장진단 등 진단작업을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 적용되는 전력케이블의 하나의 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 적용되는 해저 케이블의 하나의 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템을 포함하는 케이블 접속함의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 접속함을 보통 접속함으로 사용할 때의 직류 전력케이블 시스템의 단면도를 도시하며, 도 5는 본 발명에 따른 케이블 접속함을 절연 접속함으로 사용할 때의 직류 전력케이블 시스템의 단면도를 도시한다.
도 6는 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 슬리브부재를 확대한 단면도를 도시한다.
도 7는 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 미세 전류에 의한 내부 공간 전하의 이동방향을 도시한다.
도 8 및 도 9은 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 전계분포를 도시한 그래프이다.
도 10은 종래 기술에 따른 직류 전력케이블 시스템의 하나의 예를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 “감싼다”의 의미는 케이블 또는 슬리브부재의 길이방향이 아니라 반경방향으로 감싸는 것을 의미한다. 즉 A가 B를 감싼다고 한다면, 케이블 또는 슬리브부재의 반경방향으로 A가 B를 감싸는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 적용되는 지중용 전력케이블의 하나의 실시예를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력케이블(100)은 중심부에 도체(10)가 구비된다. 도체(10)는 전류가 흐르는 통로 역할을 하게 되며, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 등으로 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 도체(10)는 복수 개의 소선(11)을 연선하여 구성되는 것으로 도시되나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 도체는 평각도체 등 다양한 형태로 구성될 수도 있다.
그리고, 소선 등을 연선하여 구성되는 도체(10)는 그 표면이 평활하지 않아 전계가 불균일할 수 있으며, 부분적으로 코로나 방전이 일어나기 쉽다. 또한, 도체(10) 표면과 후술하는 절연층(14) 사이에 공극이 생기게 되면 절연성능이 저하될 수 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 도체(10) 외측에는 반도전성 재료로 구성되는 내부 반도전층(12)이 구비될 수 있다.
내부 반도전층(12)의 외측에는 절연층(14)이 구비된다. 절연층(14)은 도체(10)를 외부와 전기적으로 절연시킨다. 일반적으로, 절연층(14)은 파괴전압이 높고, 절연성능이 장기간 안정적으로 유지될 수 있어야 하고, 나아가 유전손실이 적으며 내열성 등의 열에 대한 저항 성능을 지니고 있어야 한다. 따라서, 절연층(14)은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지가 사용되며, 폴리에틸렌 수지가 바람직하다. 상기 폴리에틸렌 수지는 가교 수지일 수 있으며 가교제로서 실란 또는 유기 과산화물, 예를 들어, 다이큐밀퍼옥사이드(DCP) 등에 의해 제조될 수 있다.
하지만, 상기 절연층(14)은 전력케이블에 직류 고전압이 인가되는 경우 도체(10)로부터 내부 반도전층(12), 절연층(14) 등으로 전하가 주입되고 이의 영향으로 절연층(13) 내에 공간전하가 형성될 수 있다. 상기 형성된 공간전하는 케이블의 사용시간에 따라 절연층(13) 내에 축적되고 이렇게 축적된 공간전하는 케이블에 임펄스 전압이 인가되거나 케이블에 인가된 직류전압의 극성이 급격하게 반전되는 경우 도체(10) 근방의 전계강도를 급격히 상승시켜 전력케이블의 절연 파괴전압을 저하시키는 문제를 유발한다.
이에 상기 절연층(14)은 가교 수지 외에 무기입자를 포함할 수 있다. 상기 무기입자는 나노 크기의 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘 등을 사용할 수 있다. 다만, 절연층의 임펄스 강도 측면에서, 상기 무기입자로서 산화마그네슘이 바람직하다. 상기 산화마그네슘은 마그네슘 천연광석으로부터 얻을 수 있지만, 해수중의 마그네슘 소금을 이용한 인공 합성원료로부터도 제조할 수 있으며, 고순도로 품질이나 물성이 안정된 재료로 공급이 가능하다는 장점도 있다.
상기 산화마그네슘은 기본적으로 면심입방구조의 결정 구조를 갖지만 합성 방법에 따라 다양한 형태, 순도, 결정화도, 물성 등을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 산화마그네슘은 정육면체형(cubic), 적층형(terrace), 막대형(rod), 다공성(porous), 구형(spherical)으로 구분되며, 각각의 특이한 물성에 따라 다양하게 이용될 수 있다. 이러한 산화마그네슘을 비롯한 무기입자는 케이블에 전계 인가시 기재 수지와 무기입자의 경계에 퍼텐셜 우물(potential well)을 형성함으로써 전하의 이동 및 공간전하 축적을 억제하는 효과를 발휘한다.
그러나, 상기 절연층(14)에 첨가되는 무기 입자는 다량 첨가시 불순물로서 작용하고, 소함량으로 사용되는 경우에도 전력케이블에서 요구되는 또 하나의 중요 특성인 임펄스 강도를 저하시키는 문제가 있는 바, 상기 무기 입자만으로는 축적된 공간전하를 충분히 저감할 수 없기 때문에 0.2 내지 5 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
한편, 절연층(14)의 내부뿐만 아니라 외부를 차폐하지 않으면, 전계의 일부는 절연층(14)으로 흡수되지만, 대부분의 전계는 외부로 방전된다. 이 경우, 전계가 소정치 이상으로 커지게 되면 전계에 의해 절연층(14)과 전력케이블(100)의 케이블 자켓이 파손될 수 있다. 따라서, 절연층(14)의 외측에는 외부 반도전층(16)이 구비된다. 결국, 외부 반도전층(16)은 전술한 내부반도전층(12) 사이에 전기력선의 분포를 등전위로 만들어 절연층(14)의 절연내력을 향상시키는 역할을 하게 된다. 또한, 외부 반도전층(16)은 케이블에 있어서 절연층(14)의 표면을 평활하게 하여 전계집중을 완화시켜 코로나 방전을 방지할 수 있다.
외부 반도전층(16)의 외측에는 케이블의 종류에 따라 금속시스 또는 중성선으로 이루어진 차폐층(18)이 구비된다. 차폐층(18)은 전기적 차폐 및 단락전류의 귀로를 위하여 구비된다.
전력케이블(100)의 최외부에는 케이블 자켓(20)이 구비된다. 케이블 자켓(20)은 케이블(100)의 외곽에 구비되어 케이블(100)의 내부 구성을 보호하는 역할을 하게 된다. 따라서, 케이블 자켓(20)은 빛, 풍우, 습기, 공기 중의 기체 등 각종 기후를 비롯한 자연환경에 견딜 수 있는 내후성, 화학물질 등과 같은 약품 등에 견디는 내약품성 및 기계적 강도가 우수한 성질을 갖게 된다. 일반적으로 PVC(Polyvinyl chloride; 폴리염화비닐) 또는 PE(Polyethylene: 폴리에틸렌)를 재질로 하여 케이블 자켓을 제작한다.
도 2는 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에 적용되는 해저 전력케이블(100')의 하나의 실시예를 도시한다. 전술한 도 1의 실시예와 비교하여 차이점을 중심으로 살펴본다.
도 2를 참조하면, 도체(10), 내부 반도전층(12), 절연층(14) 및 외부 반도전층(16)은 전술한 도 1의 실시예와 유사하므로 반복적인 설명은 생략한다.
상기 외부 반도전층(16)의 외부에는 외부의 물과 같은 이물질이 침입하게 되면 절연층(14)의 절연성능이 저하되므로 이를 방지하기 위하여 납(lead)으로 된 금속시스(30, metal sheath), 소위 '연피시스'를 구비한다.
나아가, 상기 금속시스(30)의 외부에 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 수지로 구성된 시스(32)와 물과 직접 접촉이 안되도록 베딩층(34)을 구비한다. 상기 베딩층(34)의 위에는 철선외장(40)을 구비할 수 있다. 상기 철선 외장(40)은 상기 케이블(100')의 외곽에 구비되어 해저의 외부환경으로부터 케이블을 보호하도록 기계적 강도를 높이는 역할을 하게 된다.
상기 철선외장(40)의 외곽, 즉 케이블(100')의 외곽에는 케이블의 외장으로서 서빙층(42)을 구비하게 된다. 서빙층(42)은 케이블(100')의 외곽에 구비되어 케이블(100')의 내부 구성을 보호하는 역할을 하게 된다. 특히, 해저케이블의 경우에 서빙층(42)은 해수 등과 같은 해저환경에 견딜 수 있는 내후성 및 기계적 강도가 우수한 성질을 갖게 된다. 예를 들어, 상기 서빙층(42)은 폴리프로필렌 얀(polypropylene yarn) 등으로 구성될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 각각의 직류 전력케이블은 포설 환경에 따른 케이블 보호층의 구조를 제외하고 기본적인 코어 구조는 일치되므로 이하 케이블 접속함을 매개로 접속된 직류 전려게이블 시스템에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템의 단면도를 도시한다. 설명의 편의를 위하여 도 1에 도시된 지중 포설용 직류 전력케이블이 접속되어 구성되는 직류 전력 케이블 시스템에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템(1000)은 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B) 및 상기 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)을 접속하는 케이블 접속함(700)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 케이블 접속함(700)은 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체를 접속하는 도체접속부(200); 상기 도체접속부(200)와 상기 케이블 접속영역을 감싸도록 장착되는 슬리브부재(300); 및 상기 슬리브부재(300)를 수용하는 하우징(H)을 포함하여 구성될 수 있으며, 하우징은 금속 재질의 '금속 케이싱(metal casing)'으로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 케이블 접속함의 하우징(H)과 본 발명에 따른 슬리브 부재(300) 사이의 공간에는 방수재(미도시) 등이 충진될 수 있다.
상기 케이블 접속함(700) 내의 상기 도체접속부(200)는 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)의 도체(10A,10B) 단부를 용접하여 도체가 접속되거나 또는 도체 슬리브(251)가 적용되고, 도체 슬리브(251)가 압착 또는 도체 슬리브(251)와 도체가 체결볼트를 이용하여 연결될 수 있고, 도체 접속된 부분에 코로나 쉴드(corona shield)(250)가 장착될 수 있고, 상기 코로나 쉴드(250)는 상기 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)의 절연체와 수평이 되도록 장착되되 편조선 등을 이용하여 도체 슬리브(251) 또는 접속된 도체(10A,10B)와 전기적으로 연결된다.
상기 코로나 쉴드(250)는 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)의 절연층(14A,14B)과 단차가 생기지 않도록 절연체 등에 장착된 홈 등의 고정구조(미도시)를 이용하여 장착될 수 있다.
그리고, 상기 슬리브부재(300)는 상기 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)의 절연층(14A,14B) 및 코로나 쉴드(250)를 감싸도록 장착될 수 있다.
즉, 상기 슬리브부재(300)는 상기 도체접속부를 감싸도록 배치되며 상기 도체접속부(200)와 전기적으로 연결되는 제1 전극(310); 케이블 길이방향을 따라 상기 제1 전극(310) 양측에 각각 구비되는 한 쌍의 제2 전극(320); 상기 제1 전극(310) 및 상기 절연층(16)을 감싸고 상기 한 쌍의 제2 전극(320)의 내측면과 접촉하며, 적어도 일부는 상기 제2 전극과 상기 외부 반도전층이 비접촉 상태가 되도록 상기 외부 반도전층(16)과 상기 제2 전극(320) 사이에 배치되어 상기 외부 반도전층(16)과 접촉하는 전계 완화층(330); 상기 전계 완화층(330) 및 제2 전극(320)을 감싸는 고무 절연층(340); 및 상기 고무 절연층(340)을 감싸는 슬리브 차폐층(350)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 전극(310)과 상기 한 쌍의 제2 전극(320)은 예를 들어 반도전성 액상 실리콘 고무(LSR; Liquid Silicone Rubber) 또는 반도전성 에틸렌프로필렌 고무(EPDM; Ethylene propylene rubber) 등 반도전성 재료를 이용하여 제작될 수 있으며, 상기 제1 전극(310) 및 상기 한 쌍의 제2 전극(320)과의 사이에서 전계가 국부적으로 집중되지 않고 골고루 퍼지도록 하는 역할을 수행한다.
구체적으로, 상기 제1 전극(310)은 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체(10A,10B)와 전기적으로 연결되어, 소위 고압 전극(High voltage semi-conductor)의 역할을 수행하고, 한 쌍의 제2 전극(320)은 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)의 외부 반도전층과 후술하는 반도전 테이핑층(St) 등을 통해 각각 전기적으로 연결되어 소위 차폐 전극(Deflector semi-conductor)의 역할을 수행한다. 따라서, 상기 슬리브부재 내부에서 전계분포는 상기 제1 전극(310)과 상기 제2 전극(320) 사이를 따라 분포된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(310)의 형상은 모서리의 단부가 완만한 곡면으로 형성되고, 상기 제2 전극(320)의 형상은 상기 슬리브부재의 전계 완화층(330)과 접촉되는 내측면이 라운드진 곡면으로 형성될 수 있고, 이외에도, 상기 제1 전극(310)과 제2 전극(320)의 형상, 크기 및 재질을 적절히 조절하여 상기 제1 전극(310)과 제2 전극(320) 사이의 전계분포가 집중되지 않도록 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템은 상기 한 쌍의 제2 전극(320)이 각각 상기 슬리브부재(300)의 최외부에 배치된 슬리브 차폐층(350)과 접촉되지 않도록 상기 슬리브 차폐층(350)과 분리되어 슬리브부재(300)의 양측에 구비될 수 있다.
여기서, 상기 슬리브 차폐층(350)은 상기 제1 전극(310) 또는 제2 전극(320)과 같이 반도전성 재료로 구성되고, 전술한 바와 같이 슬리브부재(300)에서는 차폐 전극의 역할을 수행하는 제2 전극(320)과 이격되어 구비되나, 선택적으로 전기적 연결수단을 사용하여 상기 슬리브 차폐층(350)과 상기 제2 전극(320)은 전기적으로 연결되도록 형성할 수 있으며, 상기 전기적 연결수단으로는 반도전 테이핑층과 금속 메쉬 등이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 케이블 접속함을 보통 접속함으로 사용할 때의 직류 전력케이블 시스템의 단면도를 도시하며, 도 5는 본 발명에 따른 케이블 접속함을 절연 접속함으로 사용할 때의 직류 전력케이블 시스템의 단면도를 도시한다.
도 4와 같이, 본 발명에 따른 케이블 접속함을 보통 접속함(Normal Joint)으로 사용할 경우에는 전기적 연결수단(Ec)으로 상기 슬리브 차폐층(350) 양단과 한 쌍의 제2 전극(320) 사이를 양측 모두 전기적으로 연결하여 사용할 수 있고, 한편 도 5와 같이, 절연 접속함(Insulation Joint)으로 사용할 경우에는 전기적 연결수단(Ec)으로 상기 슬리브 차폐층(350)의 일단과 하나의 제2 전극(320)만 전기적으로 연결하고, 상기 슬리브 차폐층(350)의 타단과 나머지 제2 전극(320)은 절연 상태가 되도록 하여 사용할 수 있다.
또한, 도 5와 같이 절연접속함(Insulation Joint)으로 사용할 경우에는, 금속 재질의 하우징(H) 중간에 절연통(미도시)을 구비함으로써, 하우징에 전기적으로 절연되는 구간이 구비될 수 있다.
한편, 슬리브부재(300)에서 슬리브 차폐층(350)과 제2 전극(320)이 이격되도록 하기 위하여, 상기 슬리브 차폐층(350)으로부터 상기 제2 전극(320)까지의 연면 거리의 경로가 계단형이 되도록 상기 슬리브 차폐층(350)의 양단 사이 거리는 상기 고무 절연층(340)의 양단 사이 거리보다 짧게 형성될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 뒤로 미룬다.
그리고, 도 3 내지 도 5에 도시된 상기 직류 전력케이블 시스템을 구성하는 케이블 접속함이 다수 개가 연결되어 구성되는 직류 전력케이블 시스템에서 부분방전 진단 또는 고장진단 등 진단 기술이 널리 활용되고 있다.
이러한 진단기술을 활용할 경우, 케이블 시스템 구간별로 진단을 하기 위해서는 절연접속함의 슬리브부재(300)의 슬리브 차폐층(350)과 제2 전극(320) 사이가 절연이 되고 충분한 연면거리가 확보되어야 한다.
또한, 고장진단의 경우 진단장치는 전력 케이블 시스템 차폐층에 시험 전압을 인가하여 고장신호를 진단하는데, 절연접속함 내의 슬리브부재(300)의 슬리브 차폐층(350)과 제2 전극(320)이 상호 분리되어 연면거리가 존재해야 측정이 가능하다. 만일 슬리브부재(300)의 슬리브 차폐층(350)과 제2 전극(320) 사이의 연면거리가 확보가 되지 않으면 시험 전압을 인가해도 충분한 전압이 걸리지 않아 진단이 불가능하다.
따라서, 본 발명은 슬리브부재를 구성하는 상기 제2 전극(320)과 상기 슬리브 차폐층(350)을 분리 구성함으로써 케이블 시스템 구간별로 진단이 가능하여 전력케이블 시스템의 진단 작업이 원활하게 이루어질 수 있다.
상기 고무 절연층(340)은 예를 들어 액상 실리콘 고무(LSR; Liquid silicone rubber)이나 에틸렌프로필렌 고무(EPDM; Ethylene propylene rubber)으로 제작되어 상기 슬리브부재(300)의 절연 기능을 담보하게 된다.
상기 전계 완화층(330)은 외주면 전체가 상기 고무 절연층(340)에 의하여 감싸져 외부와 단절되도록 구비된다. 상기 전계 완화층(330)은 상기 고무 절연층(340) 내부에서 상기 제1 전극(310)을 전체적으로 감싸고, 상기 한 쌍의 제2 전극(320)의 내측면 영역과 접촉되도록 구비된다. 즉, 상기 전계 완화층(330)은 상기 한 쌍의 제2 전극을 완전히 감싸도록 구비되는 것이 아니고 상기 한 쌍의 제2 전극(320)의 내측면의 일부와 접촉되도록 구비된다. 상기 전계 완화층(330)를 이와 같이 구성한 이유는 후술하기로 한다.
상기 전계 완화층(330)은 기본적으로 절연 기능을 수행하지만 상기 고무 절연층(340)보다 전기전도도가 높은 절연 조성물로 구성되므로, 과도한 전계가 인가되어 전계완화층(330)에 미세 전류가 흐를 경우 전하가 상기 전계 완화층(330) 방향으로 이동하여 상기 제2 전극(320) 및 케이블 외부 반도전층(16)을 통해 슬리브부재(300) 외부로 방출되도록 한다.
종래 전계완화층을 구비하지 않은 케이블 접속함의 구조를 살펴보면, 상기 케이블(100A,100B)에 소정의 직류(DC) 전압이 일정 시간 이상으로 걸리는 경우에 상기 케이블 접속함의 내부, 예를 들면 서로 다른 재질을 가지는 상기 케이블(100A,100B)의 절연층(14A,14B)과 상기 고무 절연층(340)의 계면 사이, 즉 이종계면 사이에 공간전하가 국부적으로 축적될 수 있다. 이러한 공간전하의 축적은 절연성능면에서 볼 때 취약점으로 작용할 수 있으므로, 상기와 같이 축적된 공간전하를 방출할 필요가 있다.따라서, 본 발명에 따른 슬리브부재(300)는 상기와 같은 공간전하의 방출을 위하여 전술한 전계 완화층(330)을 구비하고, 상기 전계 완화층(330)은 상기 초고압 직류 전력케이블의 도체(10A,10B) 및 외부 반도전층(16A,16B) 사이에 특정 전계값에 따라 선택적으로 미세 전류가 흐르게 되며, 상기 공간전하가 일정 수준 이상으로 축적된 경우 전하를 방출시키게 된다.
상기 전계 완화층(330)은 1010 내지 2x1017 Ωcm 범위에서 전계에 의해 비선형적으로 변화하는 체적저항을 가질 수 있으며, 상기 범위의 체적저항을 갖는 전계 완화층(330)의 경우 상기 고무 절연층(340)의 체적저항은 그보다 높은 1014 내지 1018 Ωcm의 체적저항을 가질 수 있다.
상기 전계 완화층(330)이 상기 도체(10)와 외부 반도전층(16) 사이의 상기 전계 완화층(330)에 선택적으로 미세 전류가 흐른다는 의미는 다음과 같다. 상기와 같은 물성치를 가지는 전계 완화층(330)은 평상 시에는 저항치가 상대적으로 높아 상기 도체(10)와 외부 반도전층(16)을 전기적으로 연결시키지 않는다.
반면, 상기 슬리브부재(300) 내에 공간전하가 축적되는 경우, 특히 상기 케이블 절연층(14)과 전계완화층(330)의 계면, 전계완화층(330)과 고무 절연층(340)의 계면 등 이종계면 또는 제1 전극(310)의 모서리 부분 등에 소정치 이상의 공간전하가 축적되는 경우에 전하를 방출하는 역할을 하게 된다. 예를 들어, 상기 전계 완화층(330)은 소정치 이상의 전계가 걸리는 경우에 저항치가 비선형적으로 감소하는 전기적 특성을 가질 수 있다. 따라서, 공간전하가 축적되어 소정치 이상의 전계가 걸리는 경우에 상기 전계 완화층(330)의 저항치가 비선형적으로 감소하여 상기 제1 전극(310)으로부터 상기 제2 전극(320) 또는 상기 외부 반도전층(16)으로 전하를 방출하게 된다. 따라서, 상기 전계 완화층(330)은 소위 FGM(Field Grading Material)의 재질로 제작될 수 있다. 결과적으로, 상기 전계 완화층(330)이 전하를 방출하는 방출통로의 역할을 수행한다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 전극(320)과 전력케이블의 외부 반도전층(16)은 직접 접촉되지 않으나, 하우징(H) 장착전 별도의 반도전 테이프를 횡권하여 구성되는 반도전 테이핑층(St)으로 마감함으로써 상기 제2 전극(320)과 전력케이블의 외부 반도전층(16)은 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 하우징(H) 역시 상기 전력케이블의 금속 재질의 차폐층(18)과 연결되도록 장착되어 접지되도록 마감될 수 있다.
본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템은 상기 전계 완화층(330)의 형상을 조절함과 동시에 상기 전계 완화층(330)의 전기전도도를 조절하는 절연 조성물의 구성성분 함량 조절을 통하여 상기 슬리브부재(300)에서 공간전하(space charge) 축적에 의한 전계 왜곡과 직류 절연내력의 저하를 방지 또는 최소화할 수 있다. 이하, 도 6를 참조하여 자세하게 설명한다.
도 6는 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 슬리브부재(300)를 확대한 단면도를 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 제2 전극(320) 및 상기 전계 완화층(330)을 감싸는 고무 절연층(340)은 양단 각각에 계단형 단차(S)가 형성되고, 상기 계단형 단차(S)는 상기 슬리브 차폐층(350)의 양단 외부로 노출되도록 구비될 수 있다.
즉, 상기 슬리브 차폐층(350)의 양단 사이 거리는 상기 고무 절연층(340)의 양단 사이 거리보다 짧게 형성될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 제2 전극(320)과 고무 절연층(340)의 단부의 측면이 도 6에 도시된 바와 같이 수직하게 동일 평면을 형성할 수 있다.
이와 같은 구조에 의하여, 상기 고무 절연층(340)의 단면 기준 양단 사이의 거리가 상기 상기 슬리브 차폐층(350) 양단 사이 거리 보다 길게 구성되어 상기 슬리브 차폐층으로부터 상기 제2 전극 까지의 연면 거리의 경로가 계단형이 되도록 할 수 있다.
이와 같이, 상기 슬리브 차폐층(350)의 양단에서 각각의 상기 제2 전극(320)까지의 표면 거리인 계단형 경로의 연면 거리(ℓ가 확보되도록 이격되어 상기 직류 전력케이블 시스템의 진단 작업이 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 전계 완화층(330)은 저항 및 절연 내력이 비교적 낮은 성질을 지니므로 과도한 사용에 주의해야 한다. 이에, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템은 상기 전계 완화층(330)의 길이방향 구간별 두께 또는 외경을 서로 다르게 구성함으로써 상기 전계 완화층(330)의 과도한 비율로 인한 절연 내력 감소 현상을 방지함과 동시에 상기 전계 완화층(330)의 사용량 저감에 따른 비용을 최소화할 수 있다.
도 6를 참조하면, 상기 전계 완화층(330)은 중앙부에 배치되는 상기 제1 전극(310)의 전체 영역을 감싸고 상기 제2 전극(320)의 내측면과 접촉되도록 구비되되, 상기 제1 전극(310)에서 양단에 배치된 상기 한 쌍의 제2 전극(320) 방향으로 상기 전계 완화층(330)의 외경이 변화되는 외경 변화구간을 구비하여, 이에 따라 상기 전계 완화층(330)의 외주면을 플랫하게 구성하는 경우에 비해 상기 전계 완화층(330)을 구성하는 재료 소비량을 감소시키면서도 전하 이동에 따른 전계 완화 효과를 충분히 기대할 수 있다.
여기서, 상기 슬리브부재(300)의 전계 완화층(330) 경사구간의 경사도(θ)는 5도 내지 45도, 바람직하게는 15도 내지 25도 범위 내에서 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 전계 완화층(330)은 상기 제1 전극(310)을 감싸는 제1 전극 커버부(331); 상기 제1 전극 커버부(331)보다 외경이 감소되며 상기 제1 전극 커버부(331) 양측에 제2 전극 방향으로 연장되는 한 쌍의 연결부(332); 상기 연결부(322)와 연결되며 경사구간을 갖도록 상기 제2 전극 방향으로 외경이 증가되는 한 쌍의 경사부(333); 및 상기 경사부(333)와 연결되어 상기 제2 전극(320)의 내측면 영역과 접촉하며, 적어도 일부는 상기 외부 반도전층과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 상기 외부 반도전층과 접촉하는 한 쌍의 제2 전극 커버부(334)를 포함하여 구성될 수 있다.
전계 집중 완화 효과는 충분히 확보하되 고가의 필러 사용량을 최소화하기 위해서는 전계 완화층의 형상과 크기가 최적화되는 것이 바람직하다.
따라서, 제1 전극 커버부(331), 연결부(332), 경사부(333) 및 제2 전극 커버부(334)를 전술한 형상으로 구성하는 것은 결국 고무 절연층의 영역별 두께 조건 또는 그에 따른 형상을 통해서도 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 고무 절연층(340)은 아래 식 1을 만족하면서 상기 전계 완화층(330)의 계면 상에 구비될 수 있다.
[식 1]
D2(mm) ≥ D1(mm) ≥ D3(mm)
여기서,
D1 : 슬리브부재(300) 단면 기준 상기 제1 전극 커버부(331)의 상단에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(mm)
D2 : 슬리브부재(300) 단면 기준 상기 연결부(332)의 상단에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(mm)
D3 : 슬리브부재(300) 단면 기준 제2 전극(320) 상면에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(mm)
또한, 상기 전계 완화층(330)의 연결부(332)의 계면 길이보다 상기 경사부(333)의 경사구간 계면 길이가 길게 구성(경사구간의의 경사도(θ)가 완만하게 구성)될 수 있으며, 이와 같이 구성되는 경우 상기 전계 완화층(330)의 계면 상에 상기 고무 절연층(340)을 형성하는 제조 공정에서 상기 전계 완화층(330)에 가해지는 높은 압력을 더 안정적으로 견디도록 할 수 있다.
이와 같이 상기 고무절연층의 각각의 영역의 두께 중 상기 연결부(332)의 상단에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(D2)를 가장 크게 하여 전극을 직접 감싸지 않는 전계 완화층(330)의 연결부를 가장 작게 구성할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 슬리브 차폐층(350)과 상기 제2 전극(320)는 전술한 바와 같이 상호 분리되고 연면거리 경로가 계단형을 형성되도록 상기 고무 절연층의 단부가 노출되는 형상이면 그 두께는 최소화될 수 있으므로, 상기 제2 전극(320) 상면에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(D3)은 최소화될 수 있고, 상기 제1 전극 커버부(331)의 상단에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(D1)는 상기 연결부(332)의 상단에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(D2) 보다는 작고 상기 제2 전극(320) 상면에서의 상기 고무 절연층(340)의 두께(D3)보다는 크면 전계 완화층의 형상과 크기가 최적화될 수 있음을 의미한다.
정리하면, 고무 절연층(340)의 영역별 두께를 위 [식 1] 을 만족하도록 설정하면 그에 따라 고무절연층이 감싸는 전계 완화층의 두께가 각각의 전극을 충분히 감싸거나 접촉되도록 하여 전계 완화 효과를 극대화함과 동시에 전계 완화층의 부피와 비용을 최소화할 수 있다.
그리고, 상기 슬리브부재(300)의 전계 완화층(330)은 상기 제1 전극(310)을 전체적으로 둘러싸고, 제2 전극(320)의 내측면에 접촉되도록 구비되되 상기 제2 전극(320) 하부에서 전력케이블의 외부 반도전층(16) 방향으로 연장되어 상기 한 쌍의 직류 전력케이블(100A,100B)의 외부 반도전층(16)과 상기 한 쌍의 제2 전극(320)은 상기 전계 완화층(330)에 의하여 비접촉되도록 구비될 수 있다. 여기서, 상기 제2 전극(320)과 상기 각각의 외부 반도전층(16) 사이의 이격 거리인 제2 전극(320) 하부에서 전력케이블의 외부 반도전층(16) 방향으로 연장되는 전계 완화층의 두께(t)는 바람직하게 2 밀리미터(mm) 내지 10 밀리미터(mm) 범위로 형성될 수 있다.
상기 전력케이블의 외부 반도전층(16)과 상기 제2 전극(320)이 접촉되면 상기 제2 전극(320), 상기 외부 반도전층(16) 및 상기 전계 완화층(330)이 모두 하나의 지점에서 접촉되는 영역이 생성되고, 이러한 영역에서 공간전하가 과도하게 축적되어 전기적으로 취약한 부분이 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템은 전술한 바와 같이 상기 전계 완화층(330)이 상기 제2 전극(320)과 상기 외부 반도전층(16) 사이 공간으로 연장되고 상기 전계완화층(330)이 상기 전력케이블의 외부 반도전층(16)에 접촉되도록 하여, 케이블 접속영역 근방에서 상기 제2 전극(320), 상기 외부 반도전층(16) 및 상기 전계 완화층(330)이 모두 접촉되는 삼중점이 생성될 가능성을 제거하여 그로 인한 절연 파괴 위험을 낮출 수 있다.
또한, 상기 전계 완화층(330)과 제2 전극(320)과의 접촉면적이 증가되고 전계 완화층(330)과 외부 반도전층(16)이 직접 접촉되어 접촉면적이 증가되므로 외부 반도전층(16)으로의 미세 전류 경로가 확대되어 공간 전하가 축적되지 않고 외부 반도전층으로 쉽게 방출되도록 할 수 있다.
더 나아가, 상기 전계 완화층(330)은 상기 고무 절연층(340)보다 높은 전기전도도를 갖는 절연 조성물로 이루어질 수 있다. 상기 전계 완화층(330)은 이러한 전기 전도성에 의하여 실험적으로 상기 전계 완화층(330)에 10 내지 30 kV/mm의 전계 인가시 상기 전계 완화층(330)의 온도는 20 내지 90도(°C) 범위로 제어될 수 있음이 확인되었다.
여기서, 상기 고무 절연층(340)의 전기전도도는 10-12 내지 10-15 S/m(단위미터당 지멘스)이고, 상기 전계 완화층(330)의 전기전도도는 상기 고무 절연층(140)의 전기전도도보다 큰 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 전계 완화층(330)의 전기전도도는 상기 고무 절연층(140)의 전기전도도의 5배 내지 10,000배 범위가 되도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 온도 및 전계가 서로 일정하다는 조건 하에서 상기 고무 절연층(340)의 전기전도도가 10-14 S/m인 경우 상기 전계 완화층(330)의 전기전도도는 상기 절연 조성물에 의하여 5*10-14 내지 10-10 S/m가 되도록 조절될 수 있다.
상기 전계 완화층(330)은 열경화성 고무 및 비선형 전기적 거동을 유도하는 필러를 포함하는 절연 조성물로 구성될 수 있고, 상기 열경화성 고무는 액상 실리콘 고무(Liquid Silicone Rubber, LSR) 또는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPDM) 또는 이의 혼합물로 구성될 수 있고, 혼합물의 구성성분으로 윤활제, 가교제, 가교조제, 산화방지제 등이 첨가될 수 있다.
그리고, 비선형 전기적 거동을 유도하는 필러로는 실리콘 카바이드(Silicon carbide) 등이 사용될 수 있고, 이외에 특성을 보완하기 위한 도전성 필러 또는 반도전성 필러가 추가로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 필러의 구성성분 함량 조절을 통해 상기 전계 완화층(330)의 전기적 특성, 즉 절연 기능을 수행하되 미세 전류에 의해 특정 전계값 이상이 되면 전기 전도도가 대폭 상승하여 공간 전하를 상기 전계 완화층을 따라 이동시키는 특성을 만족할 수 있다.
도 7는 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 미세 전류에 의한 내부 공간 전하의 이동방향을 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 전술한 구성을 가지는 슬리브부재(300)의 내부로 전압이 과도하게 인가되는 경우 상기 전계 완화층(330)으로 미세 전류가 흐르게 되고, 상기 미세 전류는 제2 전극(320)과 상기 외부 전도층(16) 사이의 이격된 영역에서 얇은 두께를 갖는 전계 완화층(330)을 따라 흐르게 된다. 그리고, 상기 전계 완화층(330)의 단부는 상기 외부 반도전층(16)과 연결되므로 상기 미세 전류에 의해 상기 슬리브부재(300) 내부의 전하가 얇은 두께를 갖는 전계 완화층(330)을 지나 상기 외부 반도전층(16)으로 이동되므로 상기 외부 반도전층(16), 상기 제2 전극(320) 및 상기 전계 완화층(330)이 모두 하나의 지점에서 접촉되는 영역에서의 지점에서의 국부적인 전계 집중에 의한 전계 왜곡과 케이블 접속함 절연파괴를 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 상기 전계 완화층(330)은 상기 제1 전극(310)의 전체 영역 및 상기 제2 전극(320)의 내측면에 접촉하도록 구비되고, 이에 따라 상기 한 쌍의 제2 전극(320)의 내측면 상에 각각 상기 제2 전극(320), 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 모두 접촉되는 3중점이 형성될 수 있으나 그 높이를 최적화하여 전계 완화, 구조 단순화 및 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.
상기 전계 완화층(330)의 전기적 또는 물리적 특성을 만족시키기 위하여 열경화성 고무에 첨가되는 필러는 비교적 고가이므로, 상기 전계 완화층(330)의 전계 집중 완화 효과를 충분히 구현하면서도 상기 전계 완화층(330)의 사용량을 최소화하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서 상기 전계 완화층(330)은 상기 제1 전극(310)을 감싸며, 상기 한 쌍의 제2 전극(320)의 전체 영역이 아닌 상기 제2 전극(320)의 내측면에 접촉되도록 구비되어 제조 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 상기 제2 전극(320), 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 모두 접촉되는 3중점(O) 위치 관련하여, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 슬리브 부재(300)는 상기 제2 전극(310), 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 만나는 삼중점이 존재하되 삼중점이 최대한 케이블 도체로부터 이격되는 구조를 적용함으로써, 전계 집중을 완화하여 절연 파괴 가능성은 줄이되 전계 완화층의 부피를 최소화하고 제2 전극 커버부 등의 형상을 단순화하였다.
상기 삼중점의 반지름 방향 거리가 작을수록 상기 전계 완화층(330)의 사용량이 감소하여 제조 비용을 감소시킬 수 있는 장점은 있으나, 상기 전계 완화층(330)의 외경이 감소됨에 따라 상기 전력케이블 절연층(14) 근방에서의 높은 전압이 체적 저항이 비교적 큰 고무 절연층(340)으로 과도하게 인가됨에 따라 상기 고무 절연층(340)의 전계가 집중되어 폭발이나 손상 등의 절연 파괴 문제가 발생될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 상기 제2 전극(320)의 내측면, 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 모두 접촉되는 3중점을 경계로 전압이 상기 전계 완화층(330)과 상기 고무 절연층(340)으로 적절히 고르게 분산되어야 한다. 이는 상기 전계 완화층(330)에 미세 전류가 흐르게 되면 상기 전계 완화층(330)의 체적 저항이 감소되면서 내부 축적된 전하를 상기 전력케이블의 외부 반도전층(16)을 따라 이동시켜서 전계 집중 현상을 해소시킬 수 있으나 상기 고무 절연층(340)은 이러한 효과를 구현할 수 없기 때문이다.
구체적으로, 상기 전력케이블의 절연층(14)으로부터 상기 제2 전극(310), 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 만나는 3중점(O)까지의 최단거리 (L)와 상기 절연층(14)으로부터 상기 제2 전극 상단까지의 최단 거리(H)와의 관계는 하기 식 2를 만족하도록 설계되는 것이 바람직하다.
[식 2]
1/2 x H ≤ L ≤ H
즉, 삼중점(O)이 제2 전극(320) 높이의 50프로 이하의 위치에 배치되면, 전계 완화층의 경사부(333)의 경사도 낮고 전계 완화층의 부피가 최소화될 수 있으나, 삼중점(O)이 케이블의 도체와 가까워져 전계 집중 또는 절연 파괴 위험이 증가하므로, 상기 삼중점(O)은 적어도 제2 전극(320)의 높이의 50프로 이상은 되는 것이 삼중점에서의 전계 집중을 어느 정도 완화할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 상기 전계 완화층(340)이 상기 제2 전극(320)의 내측면과 접촉되는 영역의 높이를 규정하는 상기 삼중점의 높이는 제2 전극(320) 높이에 따라 위 식 2를 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9은 본 발명의 실시예에 따른 직류 전력케이블 시스템에서 전계분포를 도시한 그래프이다.
도 8 및 도 9에 도시된 그래프에서 색상이 청색에 가까운수록 전계 분포가 완화된 것을 의미하고, 적색에 가까울수록 전계가 집중된 것을 의미한다.
도 8은 직류 전력케이블 시스템에서 상기 전계 완화층(330)이 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)을 감싸되 상기 제2 전극(320)의 외측면 및 외주면을 제외한 내측면 영역만 접촉되는 구조(실시예 1)에서의 전계분포를 도시한다.
도 8을 참조하면, 실시예 1에 따른 직류 전력케이블 시스템은 상기 제2 전극(320)을 전체적으로 감싸지 않고 상기 제2 전극(320)의 외측면과 상면을 제외한 내측면 전체 영역과 저면 영역이 접촉되는 구조로 구비되어 상기 전계 완화층(330)의 사용량을 줄일 수 있다. 그리고, 슬리브부재(300) 내부에서 전계분포는 제1 전극(310)과 상기 제2 전극(320) 사이에서 비교적 고루 퍼져 분포되나, 상기 전계 완화층(330) 및 제2 전극(320)을 감싸며 두께가 얇게 유지되는 상기 고무 절연층(340) 외측단 영역에서 전계가 다소 집중되고, 전력케이블의 절연층(14) 중 상기 제2 고압 전극(320) 하부에 배치된 절연층(14)에서 전계 분포가 비교적 집중되는 현상을 보였다.
도 9은 직류 전력케이블 시스템에서에서 상기 전계 완화층(330)이 상기 제1 전극(310)을 감싸고 상기 제2 전극(320)의 외측면과 상면을 제외한 내측면 영역과 저면 영역이 접촉되는 구조로 구성되고, 나아가 상기 제2 전극(320) 내측면에 상기 제2 전극(320), 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 모두 접촉되는 3중점이 형성되는 구조(실시예 2)에서의 전계분포를 도시한다.
즉, 상기 삼중점(O)의 높이가 위 식 2를 만족하는 구조이다.
도 9을 참조하면, 실시예 2에 따른 직류 전력케이블 시스템은 도 8에 비해 상기 전계 완화층(330)의 사용량을 줄일 수 있고, 또한 슬리브부재(300) 내부에서 전계분포는 제1 전극(310)과 상기 제2 전극(320) 사이에서 비교적 고루 퍼져 분포되고 상기 제2 전극(320) 하부에 배치되는 상기 전력케이블의 절연층(14)에서의 전계 분포가 가장 효과적으로 완화되는 현상을 확인하여, 전계 완화 효과와 비용 절감의 효과 모두 만족시킬 수 있음을 확인하였다.
즉, 본 발명은 전계 완화층이 상기 제2 전극 전체를 감싸지 않고도, 제2 전극의 내측면에 접촉되고, 더 나아가 상기 제2 전극(320), 상기 전계 완화층(330) 및 상기 고무 절연층(340)이 모두 접촉되는 3중점의 높이를 제어하여 전계 집중 효과를 극대화하며 비용 절감 효과도 얻을 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100A, 100B : 한 쌍의 직류 전력케이블
200 : 도체접속부
300 : 슬리브부재

Claims (16)

  1. 직류 전력케이블 시스템으로서,
    도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층 및 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층을 포함하며, 상기 도체, 상기 절연층 및 상기 외부 반도전층이 순차적으로 노출된 케이블 접속영역이 서로 대향하게 배치되는 한 쌍의 직류 전력케이블; 및,
    상기 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체를 접속하는 도체접속부; 상기 도체접속부와 상기 케이블 접속영역을 감싸도록 장착되는 슬리브부재; 및 상기 슬리브 부재를 수용하는 하우징;을 포함하여 상기 한 쌍의 직류 전력케이블을 접속하는 케이블 접속함;을 포함하고,
    상기 슬리브부재는 상기 도체접속부를 감싸도록 배치되며 상기 도체접속부와 전기적으로 연결되는 제1 전극; 케이블 길이방향을 따라 상기 제1 전극 양측에 각각 구비되는 한 쌍의 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 절연층을 감싸고, 상기 제2 전극의 내측면 과 접촉하며, 적어도 일부는 상기 제2 전극과 상기 외부 반도전층이 비접촉 상태가 되도록 상기 외부 반도전층과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 상기 외부 반도전층과 접촉하는 전계 완화층; 상기 전계 완화층 및 상기 제2 전극을 감싸는 고무 절연층; 및 상기 고무 절연층을 감싸는 슬리브 차폐층;을 포함하고,
    상기 제2 전극의 내측면에 상기 제2 전극, 상기 전계 완화층 및 상기 고무 절연층이 모두 만나는 3중점이 구비되고, 상기 절연층으로부터 상기 3중점까지의 최단 거리(L)는 상기 제1 전극의 높이(h)보다 큰 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층으로부터 상기 제2 전극 상단까지의 최단 거리(H)와 상기 절연층으로부터 상기 3중점까지의 최단 거리(L)는 하기 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블 시스템.
    [수식] 1/2 x H ≤ L ≤ H
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬리브 차폐층은 상기 제2 전극과 분리되도록 구비되고,
    상기 슬리브 차폐층으로부터 상기 제2 전극까지의 연면 거리의 경로가 계단형이 되도록 상기 슬리브 차폐층의 양단 사이 거리는 상기 고무 절연층의 양단 사이 거리보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전계완화층은 상기 고무 절연층 보다 전기전도도가 높은 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도체접속부는 상기 한 쌍의 직류 전력케이블의 도체를 접속하는 도체 슬리브 및 상기 도체 슬리브 외측에 장착되고 상기 도체 슬리브와 전기적으로 연결되는 코로나 쉴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전계 완화층은 중앙부에 배치된 상기 제1 전극의 외주면 전체 영역을 감싸도록 구비되되 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 전계 완화층의 외경이 변화되는 외경 변화구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전계 완화층은 상기 제1 전극을 감싸는 제1 전극 커버부; 상기 제1 전극 커버부보다 외경이 감소되며 상기 제1 전극 커버부 양측에 상기 제2 전극 방향으로 연장되는 한 쌍의 연결부; 상기 연결부와 연결되며 경사구간을 갖도록 상기 제2 전극 방향으로 외경이 증가되는 한 쌍의 경사부; 및 상기 경사부와 연결되어 상기 상기 제2 전극의 내측면 영역과 접촉하며, 적어도 일부는 상기 외부 반도전층과 상기 제2 전극 사이에 배치되어 상기 외부 반도전층과 접촉하는 한 쌍의 제2 전극 커버부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전계 완화층의 경사부의 경사도는 5도 내지 45도 범위인 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고무 절연층의 전기전도도는 10-12 내지 10-15 S/m(단위미터당 지멘스)이고, 상기 전계 완화층의 전기전도도는 상기 고무 절연층 전기전도도의 5배 내지 10000배 큰 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전계 완화층은 열경화성 고무 및 비선형 전기적 거동을 유도하는 필러를 포함하는 절연 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열경화성 고무는 액상 실리콘 고무(Liquid Silicone Rubber, LSR) 또는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPDM)인 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 필러는 실리콘 카바이드(Silicon carbide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 직류 전력케이블 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 내부에 방수재가 충진되는 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 케이블 접속함은 전기적 연결수단으로 상기 슬리브 차폐층 양단과 한 쌍의 제2 전극 사이를 양측 모두 전기적으로 연결한 보통 접속함인 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 케이블 접속함은 전기적 연결수단으로 상기 슬리브 차폐층의 일단과 하나의 제2 전극만 전기적으로 연결하고, 상기 슬리브 차폐층의 타단과 나머지 제2 전극은 절연 상태인 절연 접속함인 것을 특징으로 직류 전력케이블 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 금속 재질의 하우징인 것을 특징으로 하는 직류 전력케이블
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